加速器：打开微观世界大门的钥匙

王贞虎

人们研究物质内部结构的主要方法是用一些高速运动的粒子作为“炮弹”去轰击被研究的物质，通过对相互作用过程的探测和分析来揭露它们的内部结构、性质及特点。可以说，人类认识微观世界的历史，就是实验手段发展的历史，加速器则是一种十分重要的研究工具。

美国密执安州立大学以亨利·佑卢塞为首的物理学家们利用超导回旋加速器成功地把“粒子炮弹”加速到光速的二分之一，他们认为，这一进展也许不久就能提供有关原子结构甚至某些星体构造的新信息。

据了解，回旋加速器是在一个扁平、中空的圆形真空盒内，有两个背靠背的D形盒，作为频率达几百万赫兹的高频电源的电极。在两个D形盒之间留有一条很狭的缝隙，接通高频电源，狭缝中形成一个交变电场。而真空盒则放在巨大的电磁铁两极之间的强大磁场中，该磁场的方向垂直于D形盒的底面。作为“粒子炮弹”用的重原子的核子从真空盒中心的离子源发射出来，在狭缝处被电场力加速，进入一个D形盒，盒内由于电屏蔽效应，电场很弱，粒子受到强大磁场的作用作圆周回旋运动，在完成半周运动后回到狭缝时，两个D形盒上的极性正好变换，于是粒子再次受到加速进入另一个D形盒。由于粒子经过两次加速，速率有了提高，所以圆周运动的轨道半径也增大。这样经过数十次往复循环，随着粒子速度和能量的增大，轨道半径也越来越大，因而粒子是作螺旋运动；直到最后旋到D形盒的边缘，在那里用一个偏折电极将高速粒子引出，使之进入一个60余米长的真空管道，最终速率可近每秒十万公里。在真空管道的另一端是容有少量碳、锌、金或其他元素的云室。当这些元索的原子靶核受到粒子炮弹的撞击后，就会产生新的粒子“碎片”，通过对这些“碎片”的研究测定，就能了解该靶核的结构。这就好象先用炮弹把房子炸碎，再通过其碎片来了解房子是用什么材料建造的一样。

这些被改进的回旋加速器的磁体则是在一268℃的低温下工作，其线圈处于超导状态，电阻极小，能获得极大的电流，以产生更强的磁场。又由于增加了第三个D形盒。进一步增强了对弹核的作用力，使得粒子炮弹的最终速率达到每秒十六万公里，这已经越过了二分之一光速。

然而用这样的高速弹核来撞击靶核，并没有使靶核分解。甚至由于弹核击中靶核的速度是如此之快，以致于靶核物质还来不及以任何形式裂散就已经被压缩了。弹核就像穿过空气的子弹一样，产生了强烈的冲击波，这冲击波摧毁了靶核原来的结构。本来原子核在原子中也仅占据极其微小的一个空间，原子中大部分的空间却是空空如也的，在高速弹核的打击下，原子内部的空间却被大大地压縮，使靶原子经历了一个塌缩过程。

科学家们认为，利用这种现象将是十分有意义的。如果能够充分地压缩靶核物质，就可能产生高密度的物质。这样，我们就可以模拟中子星内部的状态。我们知道，在中子星内部压力大得连原子也被压碎，并使其中的电子与质子结合生成中子物质。倘若再进一步压缩，中子物质就可能会被压缩成密度更高的夸克物质。

科学家相信，新的回旋加速器也许能够产生类中子物质，并最终会产生夸克物质。这项工作的实际意义是明显的，虽然有各种证据证明宇宙中有中子星高等密度星体的存在，但我们还无法摄取自然界中的中子超重物质。如果我们能在实验室产生中子物质乃致夸克物质的话，那就可以模拟高密度的星体，以便更好地进行研究，这无疑会获取大量有关超重物质的信息，人类对物质的认识将会大大加深。（编辑/起点）